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EP1793144A1 - Dispositif d'étanchéité pour piston pour monteur alternatif à combustion interne ou compresseur alternatif, et ensemble comprenant un tel piston - Google Patents

Dispositif d'étanchéité pour piston pour monteur alternatif à combustion interne ou compresseur alternatif, et ensemble comprenant un tel piston Download PDF

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Publication number
EP1793144A1
EP1793144A1 EP06291874A EP06291874A EP1793144A1 EP 1793144 A1 EP1793144 A1 EP 1793144A1 EP 06291874 A EP06291874 A EP 06291874A EP 06291874 A EP06291874 A EP 06291874A EP 1793144 A1 EP1793144 A1 EP 1793144A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ring
sliding surface
piston
groove
sealing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06291874A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Frédéric Melchior
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR0512314A external-priority patent/FR2894314A1/fr
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1793144A1 publication Critical patent/EP1793144A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/08—Constructional features providing for lubrication
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/06—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction using separate springs or elastic elements expanding the rings; Springs therefor ; Expansion by wedging
    • F16J9/061—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction using separate springs or elastic elements expanding the rings; Springs therefor ; Expansion by wedging using metallic coiled or blade springs
    • F16J9/063—Strip or wire along the entire circumference

Definitions

  • a large number of machines use pistons, each in reciprocating translation movement in a chamber, delimited by a wall, to separate the chamber into two chambers filled with fluids at different pressures.
  • pistons each in reciprocating translation movement in a chamber, delimited by a wall, to separate the chamber into two chambers filled with fluids at different pressures.
  • the chamber wall and the piston are generally metallic.
  • the wall of the chamber and the piston undergo differential expansion as a function of their respective temperatures.
  • the stresses due to the pressure of the fluids generate elastic deformations of the wall of the chamber and the piston. These deformations are likely to cause the appearance of leaks between the piston and the wall.
  • one solution consists in inserting, between the wall of the chamber and the piston, a deformable seal which absorbs the variations of play during operation.
  • one solution is to use a gasket or "segment” metal cut (or open) retained in a groove of the piston, and elastic support on a sliding surface of the wall of the chamber, generally named "Cylinder” in alternative engines.
  • An autoclave sealing resulting from the pressure of the gases in the high-pressure chamber of the cylinder, where the combustion of the gases takes place, is ensured, on the one hand, by the support of the segment on a side situated on the side of the low pressure chamber of the piston groove, and, secondly, by the support of the segment on the sliding surface of the cylinder.
  • Segment cutting is responsible for some of the leakage.
  • one solution is to create helical streaks of oil reserve on the sliding surface, preferably made of cast iron, whose carbon acts as a solid lubricant.
  • the document FR 2,602,827 discloses an uncut (closed) flexible sealing ring clampingly mounted on the sliding surface of a cylinder of an alternating motor. This ring is designed to generate a thick oil film of hydrodynamic lift on the sliding surface, as the piston moves.
  • this ring has proved to be inefficient in controlling the oil consumption, and has the disadvantage of swallowing the abrasive particles which degrade the surfaces in contact.
  • the invention aims to provide a sealing device between a piston and a wall of a chamber, which provides an improved seal, while allowing sufficient lubrication to reduce wear.
  • the invention proposes a sealing device of the aforementioned type, characterized in that the ring is fitted in the groove so as to prevent axial deformation of the ring, and to leave free radial displacement of the ring. ring in the throat.
  • sealing ring of small meridian section which gives it great flexibility in all directions.
  • the sealing ring thus conforms to the sliding surface, so as to ensure an almost perfect seal.
  • An axial deformation of the sealing ring, which would cancel the compressive stress of the ring, is prevented by the groove, in which the ring is adjusted so as not to be able to deform axially.
  • the geometry of the sealing ring thus conforms to that of the sliding surface, with a substantially constant contact pressure over the entire periphery.
  • This pressure depends on the tightness of the sealing ring on the sliding surface, its meridian section and the extent of the sealing range. If the deformations of the sliding surface (ovalizations) may occur during operation, do not change the contact perimeter between the sliding surface and the sealing surface, the specific pressure and the stress in the sealing ring are constant over the entire stroke of the piston. If the perimeter of the sliding surface varies on the stroke of the piston, the variation must be sufficiently small for the sealing ring to work within its fatigue limits, with a minimum contact pressure sufficient to ensure sealing.
  • lubrication oil supply means are arranged to supply lubricating oil all the periphery of the sealing ring on the side located in the low pressure chamber, and the sealing ring is provided for calibrate during his race towards the enclosure low pressure, a thin lubricating oil film, of very small thickness, a fraction of a micrometer.
  • the thickness of the film is in particular between 0.1 and 1 micrometer, preferably between 0.1 and 0.5 micrometer
  • This film is calibrated and deposited on the portion of the sliding surface located in the high-pressure chamber, by the sealing ring, during movement of the piston of the high pressure chamber to the low pressure chamber.
  • the thickness of the film is just sufficient so that, during the movement of the piston towards the high-pressure chamber, the sealing ring slides on the film without direct contact with the sliding surface, and insufficient for the ring to regrow. oil to the high pressure vessel.
  • the sliding surface retains the oil layer by the powerful physicochemical forces of the boundary lubrication. It will be advantageous to treat the surface to improve the adhesion of the film.
  • the sliding surface is preferably hard and polished so that its reliefs are smaller than the thickness of the lubricating oil film.
  • the sliding surface is made for example of nitrided steel.
  • the pressure of the gases is added to the pressure resulting from the tightening of the sealing ring on the sliding surface (or "elastic pressure"), to apply the ring sealing on the sliding surface.
  • the optimum spring pressure depends on the nature of the sliding surface materials and the sealing ring, the lubricant, and the condition of the surfaces.
  • the elastic pressure is between 20 and 100 bar.
  • the thickness of the oil film decreases with the contact pressure of the sealing ring against the sliding surface.
  • An autoclave mounting of the sealing ring results in a film whose thickness decreases between a low pressure portion of the sliding surface and a high pressure portion of the sliding surface.
  • This contact pressure which determines the thickness of the film, depends on the pressure to be sealed, and no longer depends on the position of the piston.
  • a cylindrical sealing surface connected by sharp angles to flat scraping faces allows the sealing ring to push the abrasive particles larger than the thickness of the film towards the high pressure chamber (for example the chamber combustion of an AC motor), and scrape the oil to the low pressure chamber (to the engine crankcase).
  • the sharp angle of the sealing ring on the side of the high pressure chamber may nevertheless scrape towards the high pressure chamber part of the film, which accumulates in this case on the part of the ring of sealing exposed to the high pressure chamber.
  • Axial buckling is prevented by the groove which prevents axial deformation of the ring. Radial outward buckling is prevented by pressing on the sliding surface. The radially inward buckling limit is deflected by the radius of curvature imposed on the sealing ring by the sliding surface.
  • a suitable profile seal can also fill the angle between a face of the sealing ring opposite the bottom of the groove, and a bearing surface at the low pressure side of the groove, and on which the 'sealing ring is in support. The incompressible elastomer seal then follows the small radial sliding of the sealing ring without deforming.
  • a piston according to the invention is provided with a single sealing ring.
  • the sealing ring To function properly, the sealing ring must be able to translate parallel to the axis of the sliding surface, without tilting or twisting. In addition, the radial displacements of the sealing ring inside the groove must be as small as possible. The distance between the edge of the support face of the groove, located on the low pressure side and against which the sealing ring bears, and the sliding surface, must also be minimal. For all these reasons, the guide clearance of the piston in the cylinder must be minimal by choosing a coefficient of expansion of the piston close to that of the cylinder and limiting the temperature difference between the guided portion of the piston and the cylinder.
  • the invention provides for separating the hot piston head, which comprises a combustion bowl, made of light alloy very conducive to heat, and the piston body, cold, which carries a guiding skirt made of steel or cast iron.
  • the improved sealing of the piston allows to retain a non-renewed gas mass in the clearance between the sliding surface and the piston, the side of the sealing ring exposed to the high pressure chamber. In operation, this gaseous mass exchanges heat with the sliding surface to equalize its average temperature to that of the latter.
  • the sealing ring according to the invention thus ensures good thermal protection of the piston body and the sliding surface, which possibly makes it possible to eliminate the water cooling outside the chamber, and to replace it with oil cooling of the sliding surface and the piston body.
  • This cooling can be provided by an oil ring in contact with the sliding surface, and driven by the piston to increase the heat exchange coefficient and to standardize the temperature of the sliding surface.
  • the piston advantageously comprises two annular guide pads of small radial thickness (1% to 3% of the diameter of the sliding surface), axially spaced, and whose profile favors the formation of a hydrodynamic oil wedge by a set of reduced operation and conical oil inlets.
  • the cooling oil ring can then be located between the guide pads and feed the oil film.
  • the oil ring can be fed with a fresh oil jet to cool the sliding surface and the piston body, and empty against the surface of the piston head to cool the combustion chamber.
  • the invention also relates to an assembly for a motor or reciprocating compressor, comprising at least one chamber, a piston designed to move in reciprocating rectilinear translation movement parallel to a direction in the chamber, and dividing the chamber into a high pressure chamber and a low pressure chamber, the assembly comprising a sealing device as defined above.
  • the piston defines, in the high pressure chamber, an annular space located radially between the piston and the sliding surface, and axially between the sealing ring and the axial end of the piston, said space having sufficient volume to that a mass of gas contained in said space at a minimum pressure of the cycle in the high-pressure chamber occupies a sufficient volume to fully immerse the portion of the sealing ring exposed to the high pressure when said mass of gas is compressed at the maximum pressure of the cycle in the high pressure chamber.
  • the piston comprises at least one annular and closed guide pad defining, axially with the sealing ring, and radially with the sliding surface, a closed annular space communicating with oil supply means. cool, and evacuating in a cooling circuit of the piston opening into the low pressure chamber.
  • the sliding surface is only cooled by a reserve of fresh oil carried by the piston in the space formed between the pad and the sealing ring.
  • the piston 2 is movably mounted in the chamber 4 of the internal combustion engine in reciprocating rectilinear translation (Arrow F) along an axis A.
  • the piston 2 separates the chamber 4, in a sealed manner, on the one hand, an upper high-pressure chamber 6, designed to receive, in a manner known per se, the air and the fuel with a view to their combustion, and on the other hand, a lower low pressure enclosure 8, intended to be in communication with a housing containing a supply of engine lubricating oil.
  • a sealing device 10 is disposed between the piston 2 and a sliding surface 12 delimiting in part the chamber 4.
  • the surface 12 is circular cylindrical axis A.
  • the piston 2 comprises a body 14 in which is formed a combustion bowl 16 opening towards the enclosure 6, a skirt 18 extending axially from the body 14 towards the enclosure 8, and a tubular guiding jacket 20 of the piston 2 along the surface 12, secured to the outer surface of the skirt 18.
  • the sealing device 10 comprises a metal sealing ring 22, separate from the piston 2 and the chamber 4, and fitted into a groove 24 secured to the piston 2, open towards the surface 12.
  • the ring 22 moves with the piston 2, and is supported by a cylindrical surface 26 of axis A against the surface 12.
  • the ring 22 is sealingly received in the groove 24, and, during the movement of the piston 2 (Arrow F), the bearing 26 is in sealing contact with the surface 12 and slides along it.
  • the ring 22 is closed, that is to say it is continuous on its circumference, and it is not cut or split at a location of its circumference.
  • the meridian section of the ring 22 is uniform over its entire circumference. It is therefore symmetrical of revolution around the axis A.
  • the groove 24 is formed between two rings 28 and 30.
  • the ring 28 is hooped onto the ring 30, which is itself hooped onto the piston 2.
  • the groove 24 is delimited axially by two contact faces with the ring 22: a high pressure side face 32 formed on the ring 28, and a low pressure side face 34 formed on the ring 30.
  • Each of the faces 32 and 34 is of generally planar shape, and extends in a plane perpendicular to the axis A.
  • the ring 22 comprises a high-pressure side face 36 exposed to the pressure of the enclosure 6, and a low-pressure side face 38 exposed to the pressure of the enclosure 8.
  • Each of the faces 36 and 38 is of generally planar shape, and extends in a plane perpendicular to the axis A.
  • the faces 36 and 38 are vis-à-vis respectively faces 32 and 34, for a contact with these faces 32 and 34.
  • the axial distance H between the faces 32 and 34 is substantially equal to but greater than the axial distance between the faces 36 and 38, so that the distance H is just sufficient to allow the radial displacement of the ring 22 in the groove 24. prohibiting any axial deformation of the ring 22.
  • the ring 22 is fitted axially in the groove 24.
  • the groove 24 is sufficiently deep radially to allow the radial clearance of the ring 22 in the groove 24.
  • An O-ring 40 of elastomeric material is disposed between the bottom 42 of the groove 24, extending axially between the faces 32 and 34, and a face 44 of the ring 22 located vis-a-vis.
  • the seal 40 bears on the face 34.
  • the span 26 is extended, on the side of the enclosure 6, by a frustoconical section 46 of axis A progressively moving away from the surface 12, and joining the face 36 forming a sharp edge 49 limiting the section 46 on the side of the enclosure 6.
  • the radial distance e between the edge 49 and the surface 12, in other words the radial distance between the bearing surface 26 and the edge 49, is of the order of fraction of a micrometer.
  • the span 26 is limited on the side of the enclosure 8 by a sharp edge on the low pressure side 51, formed with a scraping surface 50 joining the bearing surface 26 forming, with the axis A, an angle ⁇ between 45 and 90 ° (90 ° in Figure 5).
  • the surface 50 is offset axially with respect to the surface 38, and joins it by a cylindrical surface 52 of axis A.
  • the span 26 is substantially centered on the median equatorial plane of the ring 22, located midway between the faces 36 and 38, and the axial dimension of the surface 46 is equal to the axial distance between the surface 50 and the face 38.
  • the ring 22 is clamped on the surface 12.
  • the perimeter of the span 26 is greater than the perimeter of the surface 12.
  • the ring 22 is elastically deformed in compression when it is forced into the surface 12.
  • the ring 22 has a weak meridian section, so that the ring 22 is very flexible and easily conforms to the geometry of the surface 12, including in case of variations in the dimensions of the surface 12 due to temperature variations. or pressure inside the chamber 4.
  • the ring 22 being closed and of uniform section, it maintains a specific contact pressure between the bearing surface 26 and the substantially uniform surface 12 on the circumference of the ring 22.
  • the ring 22 is sized to work in its elastic limit, and in its fatigue limits.
  • the axial height h of the bearing surface 6 is preferably between 0.5 and 5 mm. This makes it possible to limit the friction between the bearing surface 26 and the surface 12, which are proportional to this height h , and to limit the area of the bearing surface 26 so as to maintain a high specific contact pressure between the bearing surface 26 and the surface 12, despite the flexibility of the ring 22.
  • the radial thickness E is between 1% and 5% of the diameter D of the surface 12, preferably between 2% and 5%, more preferably between 2% and 3%.
  • the ratio between, on the one hand, the difference between the perimeter of the span 26 of the ring 22 in the free state and the perimeter of the surface 12, and on the other hand, the perimeter of the surface 12, is between 1/1000 and 4/1000, in order to remain in the elastic deformation range, a function of the value of the Young's modulus of the material constituting the ring 22.
  • the ratio of the height h to the diameter of the surface 12 is between 2/1000 and 3/100, in particular between 1/100 and 3/100.
  • the diameter D is substantially equal to 75 mm
  • the thickness E is equal to 1.5 mm
  • the height H is substantially equal to 1 mm.
  • the axial adjustment of the ring 22 in the groove 24 avoids any axial deformation of the ring 22 that can cause leaks between the ring 22 and the groove 24, and a non-uniform pressure of the bearing surface 26 on the surface 12.
  • the liner 20 comprises a central section 54 integral with the skirt 18, extended at each of its axial ends by a support pad 56, of greater diameter than that of the section 54 and spaced from the skirt 18 , and connected to the section 54 by a frustoconical connecting portion 58 elastic.
  • Each pad 56 is closed, that is to say continuous circumferentially, for improved guidance.
  • the piston 2 delimits, with the surface 12, an annular space 60 axially closed by the lower pad 56, located on the side of the enclosure 8, and the ring 22.
  • the pads 56 have a radial guide function of the piston 2 along the surface 12, and not a sealing function. Nevertheless, the skates 56 are guided by the surface 12 with a radial clearance as small as possible, to ensure a lift on a hydrodynamic oil film.
  • Each pad 56 is designed for the formation of a hydrodynamic oil film between the pad 56 and the surface 12.
  • each pad 56 has a profile comprising a cylindrical central section 56 a and, at each end of the section 56 a , a frustoconical section 56 b deviating from the surface 12 at an angle of approximately 2 °, to define with that an oil inlet cone between the section 56 a and the surface 12.
  • the upper pad 56 situated on the side of the enclosure 6, divides the space 60 into a lower subspace 61 delimited with the lower pad 56, and an upper subspace 62, delimited with the ring 22, communicating with the subspace 61 through orifices 63 formed in the upper portion 58.
  • a fresh oil supply nozzle 64 fed in known manner from the engine casing, is directed to continuously propel a jet of fresh oil inside a channel 66 formed in the skirt. 18, and having an inlet facing the nozzle 64, and an outlet opening into the subspace 61.
  • the piston 2 comprises a gallery 68 for cooling the body 14, feeding in the space 62, and opening through a discharge channel 70 in the chamber 8.
  • the fresh oil projected by the nozzle 64 arrives in the space 60, where an oil reserve is formed, which cools the surface 12, supplies the boundary lubricating film between the ring 22 and the surface 12, and the hydrodynamic lubrication oil film between the surface 12 and each of the pads 56.
  • the hydrodynamic film fills the radial clearance between the pads 56 and the sliding surface, a clearance of 2/10 000 of the diameter D of the surface 12.
  • the oil opens into the subspace 61, and flows into the subspace 62 through the orifices 63, so as to feed the oil film of limiting lubrication between the ring 22 and the surface 12.
  • the subspace 62 is used to supply the oil over the entire circumference of the low pressure edge of the span 26, constituted by the edge 51.
  • the supply of the ring 22 in oil is substantially permanent and continuous, since the subspace 61, fed intermittently due to the displacement of the piston 2 relative to the nozzle 64, forms a buffer supply supplying the sub-unit. space 62 by shaker effect.
  • the oil flows from the space 62 in the gallery 68, so as to cool the body 14, and then returns to the chamber 8 through the channel 70.
  • the reserve of oil in the space 60 moves with the piston 2, and cools the surface 12.
  • the surface 12 is cooled solely by this oil, without external cooling by water, which simplifies the engine and reduces its cost Manufacturing.
  • the surface 50 scrapes the layer of oil located in the space 62 on the surface 12 so as to calibrating the thickness of the limited lubrication film deposited on the portion of the surface 12 located in the enclosure 6.
  • the limiting lubrication film covers at all times the portion of the surface 12 located in the chamber 6 between the current position of the stop 51 and the position of the latter at the top dead center of the piston.
  • the limiting lubricating film has a thickness of a fraction of a micrometer, that is to say less than 1 ⁇ m, preferably between 0.1 ⁇ m or 0.2 ⁇ m and 1 ⁇ m, and even more preferably between 0. , 1 ⁇ m and 0.5 ⁇ m.
  • Such an oil film thickness is less than the thickness of a hydrodynamic film generally between 5 and 10 micrometers.
  • the film comprises several layers of molecules that slide over each other, while in the boundary lubrication, the film comprises substantially a single layer of molecules, retained on the sliding surface by the physico-chemical forces, and allowing sliding contact between the surfaces between which the boundary lubricating film is formed.
  • the limiting lubrication film is sufficient to ensure the sliding of the bearing surface 26 on the surface 12 with limited friction, while ensuring an effective seal, preventing the passage of gas between the bearing surface 26 and the surface 12.
  • the edge 51 associated with the high bearing pressure prevents the appearance of a hydrodynamic film between the bearing surface 26 and the surface 12.
  • the thickness of the limiting lubricating film depends on the specific contact pressure between the bearing surface 26 and the surface 12. Preferably, this pressure is between 20 and 100 bar to calibrate the boundary lubrication film.
  • the contact pressure is the sum of an "elastic" pressure resulting from the clamping of the ring 22 on the surface 12, and a pressure due to the gas of the enclosure 6.
  • the mounting of the ring 22 is of the autoclave type because the gases can penetrate into the groove 24.
  • the ring 22 is axially pressed by the gases of the enclosure 6 in sealing engagement against the face 34, and radially by the gases of the chamber 6 present in the groove 24, against the surface 12.
  • the radial displacement between the ring 22 and the groove 24 makes it possible to absorb differential expansions between the piston 2 and the surface 12, or radial displacements of the piston 2 with respect to the surface 12, for example during the tilting of the piston 2 at top dead center or bottom dead center.
  • the distance e is small enough to prevent the passage of abrasive particles between the surface 12 and the span 26. Such particles are repelled by the surface 36 forming then scraping surface.
  • the improved sealing provided by the ring 22 makes it possible to have, between the piston 2 and the surface 12, only one ring which seals and scrapes the oil, which is advantageous, particularly in engines internal combustion engine, the sealing devices of which generally comprise three segments.
  • the device 10 differs from the previous embodiment by the shape of the seal 40, which has a triangular section, and is disposed in the angle between the face 44 and the face 34. Due to the autoclave assembly of the ring 22, the seal 40 is pressed by the gases of the enclosure 6 against the faces 44 and 34, which ensures a good seal.
  • the seal 40 is bonded to the face 44 of the ring 22, so as to be secured thereto.
  • the seal 40 terminates radially away from the bottom 42 of the groove 24 so as not to impede the radial clearance of the ring 22 in the groove 24.
  • the bottom 42 is inclined substantially parallel to a rear face 44 a of the joint 44.
  • the device 10 differs from the preceding variants in that the ring 22 is non-autoclaved and the seal between the ring 22 and the groove 24 is provided by metal contacts without use of elastomeric materials.
  • the device 10 comprises an auxiliary metal sealing ring 72 disposed axially between the face 36 and a frustoconical surface 74 of axis A of the ring 28, flaring towards the enclosure 6.
  • the ring 72 is pressed against the face 36 of the ring 22 by its elastic clamping against the conical surface 74. As a result, the ring 72 is held in tension, and rests in sealing contact against the surface 74 and against the face 36, which constitutes an autoclave static seal towards the groove 24, which can be supplied with oil at the speaker pressure 8.
  • the specific contact pressure between the bearing surface 26 and the surface 12 depends solely on the elastic pressure.
  • the ring 72 is in contact with the ring 22 in a plane perpendicular to the axis A, located in the plane or the low pressure side of a edge of the scope 26 located on the side of the high pressure chamber 6, to prevent anti-autoclave operation of the ring 22.
  • a volume of an annular space 76 delimited between the piston 2 and the surface 12, and axially between the ring 22 and the axial end 75 of the piston 2 located on the side of the enclosure 6, is sufficiently large for the mass of gas filling this space 76 to the minimum pressure reached in the chamber 6 during the cycle, has a sufficiently large volume to immerse the ring 22 of the side exposed to the chamber 6 when this mass of gas is compressed to the maximum pressure reached in the chamber 6 during the cycle.
  • this mass of gas is trapped during the piston cycle 2, in this space 76, and is not renewed.
  • this mass of gas alternately compressed and relaxed in contact with the surface 12 with which it exchanges heat thanks to the high speed of the piston 2, reaches, after a certain time, an average temperature close to that of the surface 12 much lower than the average temperature of the gases present in the chamber 6.
  • This relatively cool gas mass feeds each stroke of the piston 2 to the chamber 8 the gas boundary layer which covers the oil film deposited on the surface 12 by limiting the flow of heat to the surface 12.
  • the surface 12 is integral with the chamber 4, and the groove 24 is integral with the piston 22.
  • the surface 12 is provided on the piston 2, and the ring 22 is received in a groove 24 formed in a wall 80 of the chamber 4, so that the ring 22 is received from sealingly against the wall 80, and seals with the piston 2 in displacement.
  • the ring 22 is clamped on the sliding surface, and elastically deformed in tension.
  • the ring 22 is not likely to flambé.
  • the radial application force of the ring against the sliding surface 12 is proportional to the area of the sealing surface 26 and to the contact pressure between the surface 12 and the bearing surface 26.
  • the contact pressure is the sum of the elastic pressure resulting from the clamping of the ring 22 on the surface 12 and the pressure of the gases in the enclosure 6 (and possibly the pressure due to radial deformation of an O-ring interposed between the ring and the bottom of the groove).
  • the chamber 6 is filled with gas at a variable pressure, between a maximum pressure Pmax corresponding to the top dead center of the piston 2 and a minimum pressure Pmin corresponding to the bottom dead center of the piston. 2.
  • the contact pressure is substantially equal to the elastic pressure and must be sufficient to calibrate the oil film.
  • the elastic pressure is preferably between 20 and 100 bar.
  • the contact pressure should not be excessive.
  • the contact pressure at the top dead end will typically be in the range of 200 to 280 bar.
  • the thickness of the boundary lubrication film varies along the sliding surface.
  • the thickness of the boundary lubrication film increases from the enclosure 6 to the enclosure 8.
  • the contact pressure is substantially constant and equal to the elastic pressure, since it does not depend on the pressure of the gases in the enclosure 6.
  • a non-autoclave mounting promotes the reduction of friction losses and the uniformity of the thickness of the boundary lubrication film.
  • FIG. 9 illustrates another embodiment of a non-autoclave mounting of the ring 22.
  • FIG. 9 differs from that of FIG. 2 in that it comprises resilient means 82 forming an axial spring, arranged between a radial bearing surface 84 of the piston 2 and the face 38 of the ring 22 so as to urge the ring 22 axially supported by its face 36 against the face 32.
  • the ring 22 is always adapted to calibrate a boundary lubricating film between its bearing surface 26 and the sliding surface 12.
  • the radial thickness of the ring 22 is chosen as a function of the material constituting the ring 22 , so as to obtain a sufficient elastic pressure, preferably between 20 and 100 bar.
  • the elastic means are provided for example in the form of an axially elastic ring 86, having a radially inwardly open C-section, having a branch resting on the surface 84 and a branch resting on the ring 22.
  • the surface 84 is for example a radial surface of a peripheral annular clearance 88 formed in the face 34 of the groove 24.
  • the sealing device 10 has an annular wedge 90 interposed between the elastic means 82 and the ring 22.
  • the groove 24 has an axial dimension H between its faces 32 and 34 greater than the overall axial dimension of the ring 22, and the shim 90 is disposed between the face 34 and the ring 22, so that the together shim 90 and ring 22 is substantially adjusted in the groove 24.
  • the shim 90 is for example of rectangular or square section.
  • the shim 90 distributes the forces of the resilient means 82 in a more homogeneous manner on the ring 22 to ensure a good plane contact of the ring 22 on the face 32, ensuring a better seal.
  • the axial force of the elastic means 82 is sufficient to maintain the ring 22 bearing against the face 32 over the entire pressure range of the chamber 6, while allowing the radial clearance of the ring 22.
  • the clearance between the faces 32 and 34 of the groove and between the ring 22 and shim 90 assembly is of the order of 0.01 mm.
  • the gases in the chamber 6 is greater than the axial preload exerted by the elastic means 82 on the ring 22, the gases are introduced behind the ring 22 which goes autoclave sealing.
  • FIG. 9 thus presents the advantages of the non-autoclave solution with the safety of the autoclave solution in the event of overpressure in the enclosure 6 surpassing the elastic means 82.
  • the elastic means 82 are calibrated so that the ring 22 deviates from the face 36 when the pressure of the gases in the speaker approaches its maximum value Pmax.
  • Pmax the pressure of the gases in the speaker
  • the identical thickness of the film over the entire stroke of the ring 22 in non-autoclave mode avoids a greater thickness of the lubrication film on the side of the enclosure 8, and limits the amount of oil raised from the bottom of the surface 12 compared to the autoclave mode.
  • the ring 22 is provided with a chamfer 46 to avoid scoring the oil film during the displacement of the ring 22 in the direction of the enclosure 6.
  • the skirt 18 of the piston 2 is preferably guided by a pad 56, located on the side of the enclosure 8 relative to the ring 22, having a clearance j with the surface 12 below the cantilever f of the ring 22 relative to the face 32, and the pad 56 is designed to calibrate between the pad 56 and the surface 12 a hydrodynamic film supplied with oil through orifices 98.
  • the piston 2 comprises for example, as shown in Figure 9, an annular cavity 99 delimited radially between the pad 56 and the solid portion of the piston 2, the cavity 99 being supplied with oil from the housing of the motor through holes 100.
  • the cavity 100 communicates through the orifices 98 formed in the ring 30 with the space 102 between the pad 56 and the ring 22 to feed the oil film.
  • the height h of the span 26 In all the embodiments, to limit the friction losses, it is preferable to limit the height h of the span 26. Furthermore, the height h must be sufficient to ensure the seal, and ensuring that the pressure of the gases in the enclosure 6, during the time when it is applied, does not allow to drive the lubricating film between the scope 26 and the surface 12. This depends on the thickness of the film and the roughness of the surfaces in contact (scope 26 and surface 12). If we consider that a height h of 1000 times the thickness of the film is sufficient, a height h between 0.2 and 1 millimeter is suitable for a film between 0.2 and 1 micron.
  • the height h is equal to 0.5 mm
  • the diameter D of the surface 12 is equal to 80 mm
  • an elastic pressure of 80 bar is sufficient to ensure sealing.
  • a radial thickness of the steel ring 22 is substantially equal to 1.5 mm to obtain the required elastic pressure.
  • the section of the ring 22 is a rectangle of height 0.5 mm and width 1.5 mm.
  • the shim 90 has for example a square section of 1.4 mm side.

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Abstract

Ce dispositif est prévu pour un piston (2) destiné à se déplacer en mouvement alternatif de translation rectiligne parallèlement à l'axe (A) d'une chambre (4) divisée par le piston en une enceinte haute pression (6) et une enceinte basse pression (8), et est du type comprenant : - une surface de glissement (12) cylindrique circulaire délimitant la chambre (4) ; - une gorge (24) torique ménagée sur le piston (2) coaxiale à la surface de glissement (12), ouverte vers la surface de glissement (12); et - un anneau d'étanchéité (22) élastique, fermé, reçu de façon étanche dans la gorge (24), et est destiné à être en contact d'étanchéité avec la surface de glissement (12). Selon un aspect de l'invention, l'anneau (22) est conçu pour calibrer un film d'huile de lubrification entre l'anneau (22) et la surface de glissement (12) à une épaisseur de lubrification limite lorsqu'il se déplace de l'enceinte haute pression vers l'enceinte basse pression, comprise de préférence entre 0.1 µm et 1 µm.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité pour un piston prévu pour se déplacer en mouvement alternatif de translation rectiligne parallèlement à une direction dans une chambre divisée par le piston en une enceinte haute pression et une enceinte basse pression, du type comprenant :
    • une surface de glissement cylindrique circulaire d'axe parallèle à la direction de translation du piston ;
    • une gorge torique coaxiale à la surface de glissement, ouverte vers la surface de glissement ;
    • l'un de la surface de glissement et de la gorge étant solidaire du piston, et l'autre de la chambre ; et
    • un anneau d'étanchéité élastique, fermé, reçu de façon étanche dans la gorge, et en contact d'étanchéité avec la surface de glissement, par une portée d'étanchéité dont le périmètre à l'état libre est légèrement supérieur au périmètre de la surface de glissement solidaire de la chambre ou légèrement inférieur au périmètre de la surface de glissement solidaire du piston, de sorte que la surface de glissement impose à l'anneau une déformation élastique permanente de compression ou de tension qui provoque une pression d'appui sensiblement uniforme entre la portée et la surface de glissement quand l'anneau est serré élastiquement sur cette dernière.
  • Un grand nombre de machines utilisent des pistons, chacun en mouvement de translation alternatif dans une chambre, délimitée par une paroi, pour séparer la chambre en deux enceintes remplies de fluides à pressions différentes. On citera à titre indicatif et non limitatif les moteurs à combustion interne et les compresseurs alternatifs.
  • Pour résister aux forces de pression et à l'usure, la paroi de la chambre et le piston sont généralement métalliques.
  • La paroi de la chambre et le piston subissent des dilatations différentielles en fonction de leurs températures respectives. De plus, les contraintes dues à la pression des fluides génèrent des déformations élastiques de la paroi de la chambre et du piston. Ces déformations sont susceptibles de provoquer l'apparition de fuites entre le piston et la paroi.
  • Pour limiter les fuites, une solution consiste à intercaler, entre la paroi de la chambre et le piston, un joint déformable qui absorbe les variations de jeu en fonctionnement.
  • Dans les moteurs alternatifs, une solution consiste à utiliser un joint d'étanchéité ou « segment » métallique coupé (ou ouvert) retenu dans une gorge du piston, et en appui élastique sur une surface de glissement de la paroi de la chambre, généralement nommée « cylindre » dans les moteurs alternatifs.
  • Une étanchéité autoclave, résultant de la pression des gaz dans l'enceinte haute pression du cylindre, où s'effectue la combustion des gaz, est assurée, d'une part, par l'appui du segment sur une face située du côté de l'enceinte basse pression de la gorge du piston, et, d'autre part, par l'appui du segment sur la surface de glissement du cylindre.
  • Toutefois, l'étanchéité ainsi obtenue n'est pas satisfaisante. Il en résulte le passage d'un flux de gaz brûlés de l'enceinte haute pression, siège de la combustion dans les moteurs alternatifs, vers l'enceinte basse pression, en communication avec un carter du moteur formant réservoir d'huile de lubrification, qui pollue l'huile de lubrification. Ce flux échauffe par ailleurs la surface de glissement et le piston, et dépose des particules abrasives sur les surfaces en frottement. Par ailleurs, ce flux de gaz, qui entraîne la vapeur d'huile de lubrification présente dans le carter, doit être réaspiré par le moteur qui émet alors des particules d'huile brûlée.
  • Il en résulte les inconvénients suivants :
    • consommation et pollution de l'huile de lubrification, qui rendent nécessaires des vidanges périodiques ;
    • usure des organes lubrifiés et augmentation des pertes par frottement ;
    • pollution atmosphérique par le passage de vapeurs d'huiles dans l'enceinte haute pression, et combustion de ces vapeurs d'huile ; et
    • empoisonnement des catalyseurs et colmatage des filtres à particules par les additifs présents dans les vapeurs d'huile brûlées.
  • La coupe du segment est responsable d'une partie du défaut d'étanchéité.
  • Ce défaut d'étanchéité est aussi du au fait que l'étanchéité glissante entre le segment et la surface de glissement n'est pas suffisante.
  • En effet, il existe un jeu radial entre la portée du segment et la surface de glissement. Ce jeu est dû à la rigidité radiale du segment coupé, nécessaire pour maintenir un appui élastique du segment sur la surface de glissement en l'absence de pression gazeuse. Cette rigidité empêche le segment de se conformer à la géométrie de la surface de glissement. Les zones étanches se limitent à des secteurs de la circonférence du segment en appui sur la surface de glissement. Le reste de la circonférence du segment est le siège d'un passage de gaz, qui chauffe et pollue la surface de glissement, au risque de provoquer un frottement sec des zones de contact.
  • Pour éviter un grippage par frottement sec, une solution est de créer des stries hélicoïdales de réserve d'huile sur la surface de glissement, de préférence constituée de fonte, dont le carbone agit comme un lubrifiant solide.
  • Le document FR 2 602 827 décrit une bague d'étanchéité souple non coupée (fermée) montée avec serrage sur la surface de glissement d'un cylindre d'un moteur alternatif. Cette bague est conçue pour générer un film d'huile épais de portance hydrodynamique sur la surface de glissement, quand le piston se déplace.
  • Toutefois, cette bague s'est avérée peu efficace pour contrôler la consommation d'huile, et présente l'inconvénient d'avaler les particules abrasives qui dégradent les surfaces en contact.
  • L'invention a pour but de proposer un dispositif d'étanchéité entre un piston et une paroi d'une chambre, qui assure une étanchéité améliorée, tout en permettant une lubrification suffisante pour réduire l'usure.
  • A cet effet, l'invention propose un dispositif d'étanchéité du type précité, caractérisé en ce que l'anneau est ajusté dans la gorge de façon à interdire une déformation axiale de l'anneau, et à laisser libre un déplacement radial de l'anneau dans la gorge.
  • Ainsi, il est possible de mettre en compression élastique un anneau d'étanchéité de faible section méridienne qui lui confère une grande flexibilité dans toutes les directions. L'anneau d'étanchéité se conforme ainsi à la surface de glissement, de façon à assurer une étanchéité presque parfaite. Une déformation axiale de l'anneau d'étanchéité, qui annulerait la contrainte de compression de l'anneau, est empêchée par la gorge, dans laquelle l'anneau est ajusté de façon à ne pas pouvoir se déformer axialement.
  • La géométrie de l'anneau d'étanchéité se conforme ainsi à celle de la surface de glissement, avec une pression de contact sensiblement constante sur toute la périphérie. Cette pression dépend du serrage de l'anneau d'étanchéité sur la surface de glissement, de sa section méridienne et de l'étendue de la portée d'étanchéité. Si les déformations de la surface de glissement (ovalisations) pouvant apparaître au cours du fonctionnement, ne modifient pas le périmètre de contact entre la surface de glissement et la portée d'étanchéité, la pression spécifique et la contrainte dans l'anneau d'étanchéité sont constantes sur toute la course du piston. Si le périmètre de la surface de glissement varie sur la course du piston, la variation doit être suffisamment faible pour que l'anneau d'étanchéité travaille dans ses limites de fatigue, avec une pression minimale de contact suffisante pour assurer l'étanchéité.
  • De préférence, des moyens d'alimentation en huile de lubrification sont agencé pour alimenter en huile de lubrification toute la périphérie de l'anneau d'étanchéité du côté situé dans l'enceinte basse pression, et l'anneau d'étanchéité est prévu pour calibrer lors de sa course vers l'enceinte basse pression, un film d'huile de lubrification limite, d'épaisseur très faible, d'une fraction de micromètre. L'épaisseur du film est comprise notamment entre 0.1 et 1 micromètre, de préférence entre 0,1 et 0,5 micromètre
  • Ce film est calibré et déposé sur la partie de la surface de glissement située dans l'enceinte haute pression, par l'anneau d'étanchéité, lors du déplacement du piston de l'enceinte haute pression vers l'enceinte basse pression. L'épaisseur du film est juste suffisante pour que, pendant le déplacement du piston vers l'enceinte haute pression, l'anneau d'étanchéité glisse sur le film sans contact direct avec la surface de glissement, et insuffisante pour que l'anneau repousse de l'huile vers l'enceinte haute pression.
  • La surface de glissement retient la couche d'huile par les puissantes forces physico-chimiques de la lubrification limite. Il sera avantageux de traiter la surface pour améliorer l'adhérence du film.
  • La surface de glissement est de préférence dure et polie pour que ses reliefs soient inférieurs à l'épaisseur du film d'huile de lubrification. La surface de glissement est faite par exemple d'acier nitruré.
  • Dans un montage autoclave de l'anneau d'étanchéité, la pression des gaz s'ajoute à la pression résultant du serrage de l'anneau d'étanchéité sur la surface de glissement (ou « pression élastique »), pour appliquer l'anneau d'étanchéité sur la surface de glissement.
  • La pression élastique optimale dépend de la nature des matériaux de la surface de glissement et de l'anneau d'étanchéité, du lubrifiant, et de l'état des surfaces. De préférence, la pression élastique est comprise entre 20 et 100 bars.
  • L'épaisseur du film d'huile diminue avec la pression de contact de l'anneau d'étanchéité contre la surface de glissement. Un montage autoclave de l'anneau d'étanchéité conduit à former un film dont l'épaisseur décroît entre une partie basse pression de la surface de glissement, et une partie haute pression de la surface de glissement.
  • Pour réduire au minimum la consommation d'huile, on peut choisir une pression élastique suffisante pour étancher la pression maximale atteinte en fonctionnement dans l'enceinte haute pression, et réaliser un montage non autoclave. Cette pression de contact, qui détermine l'épaisseur du film, dépend de la pression à étancher, et ne dépend plus de la position du piston.
  • Une portée d'étanchéité cylindrique reliée par des angles vifs à des faces planes de raclage permet à l'anneau d'étanchéité de repousser les particules abrasives de dimensions supérieures à l'épaisseur du film vers l'enceinte haute pression (par exemple la chambre de combustion d'un moteur alternatif), et de racler l'huile vers l'enceinte basse pression (vers le carter du moteur).
  • L'angle vif de l'anneau d'étanchéité du côté de l'enceinte haute pression risque néanmoins de racler vers l'enceinte haute pression une partie du film, qui s'accumule dans ce cas sur la partie de l'anneau d'étanchéité exposée à l'enceinte haute pression. Une petite surface conique (angle au sommet de 2 degrés environ) ou bombée prolongeant la portée d'étanchéité jusqu'à l'angle vif côté haute pression (quelques dixièmes de millimètre), permet d'éviter les remontées d'huile, et de repousser les particules abrasives.
  • Lorsque la surface de glissement est solidaire de la chambre, pour obtenir une bonne conformabilité géométrique, et limiter les tolérances du serrage, il faut faire travailler l'anneau d'étanchéité sous la plus grande contrainte de compression compatible avec ses limites de fatigue et de flambage.
  • Le flambage axial est empêché par la gorge qui interdit une déformation axiale de l'anneau. Le flambage radial vers l'extérieur est empêché par l'appui sur la surface de glissement. La limite de flambage radial vers l'intérieur est repoussée par le rayon de courbure imposé à l'anneau d'étanchéité par la surface de glissement.
  • Pour éviter le flambage de l'anneau élastique radialement vers l'intérieur, il est possible de placer un joint torique en matériau élastomère entre l'anneau d'étanchéité et le fond de la gorge. Le joint repousse la limite de flambage en garantissant l'étanchéité statique entre l'anneau d'étanchéité et le piston. L'appui autoclave du segment sur la face côté basse pression de la gorge empêche le fluage de l'élastomère. La présence d'huile incompressible autour du joint torique limite les déformations cycliques susceptibles de détruire le joint par échauffement. Un joint de profil adapté peut aussi remplir l'angle entre une face de l'anneau d'étanchéité en vis-à-vis du fond de la gorge, et une face d'appui côté basse pression de la gorge, et sur laquelle l'anneau d'étanchéité est en appui. Le joint en élastomère incompressible suit alors les petits glissements radiaux de l'anneau d'étanchéité sans se déformer.
  • Avantageusement, un piston selon l'invention est muni d'un seul anneau d'étanchéité.
  • Pour fonctionner correctement, l'anneau d'étanchéité doit pouvoir se translater parallèlement à l'axe de la surface de glissement, sans basculement, ni torsion. De plus les déplacements radiaux de l'anneau d'étanchéité à l'intérieur de la gorge doivent être aussi faibles que possible. La distance entre le bord de la face d'appui de la gorge, située du côté basse pression et contre laquelle l'anneau d'étanchéité est en appui, et la surface de glissement, doit aussi être minimale. Pour toutes ces raisons le jeu de guidage du piston dans le cylindre doit être minimal en choisissant un coefficient de dilatation du piston voisin de celui du cylindre et en limitant la différence de température entre la partie guidée du piston et le cylindre.
  • Pour ce faire l'invention prévoit de séparer la tête de piston chaude, qui comporte un bol de combustion, faite d'alliage léger très conducteur de la chaleur, et le corps de piston, froid, qui porte une jupe de guidage faite d'acier ou de fonte.
  • L'étanchéité améliorée du piston permet de retenir une masse gazeuse non renouvelée dans le jeu entre la surface de glissement et le piston, du côté de l'anneau d'étanchéité exposé à l'enceinte haute pression. En fonctionnement, cette masse gazeuse échange de la chaleur avec la surface de glissement jusqu'à égaliser sa température moyenne à celle de cette dernière. L'anneau d'étanchéité selon l'invention assure ainsi une bonne protection thermique du corps de piston et de la surface de glissement, qui permet éventuellement d'éliminer le refroidissement par eau à l'extérieure de la chambre, et de le remplacer par un refroidissement par huile de la surface de glissement et du corps du piston. Ce refroidissement peut être assuré par un anneau d'huile en contact avec la surface de glissement, et entraîné par le piston pour augmenter le coefficient d'échange thermique et uniformiser la température de la surface de glissement.
  • Le piston comporte avantageusement deux patins de guidage annulaires de faible épaisseur radiale (1% à 3% du diamètre de la surface de glissement), espacés axialement, et dont le profil favorise la formation d'un coin d'huile hydrodynamique par un jeu de fonctionnement réduit et des entrées d'huile coniques. L'anneau d'huile de refroidissement peut alors être situé entre les patins de guidage et alimenter le film d'huile. L'anneau d'huile peut être alimenté par un jet d'huile fraîche pour refroidir la surface de glissement et le corps du piston, et se vider contre la surface de la tête de piston pour refroidir la chambre de combustion.
  • Ainsi, selon d'autres modes de réalisation, le dispositif d'étanchéité comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
    • la gorge est délimitée axialement par deux surfaces de contact avec l'anneau, de forme générale plane, perpendiculaires à l'axe de la surface de glissement, la distance axiale entre les deux surfaces de contact étant juste suffisante pour interdire une déformation axiale de l'anneau, et laisser libre un déplacement radial de l'anneau dans la gorge,
    • l'épaisseur radiale de l'anneau est comprise entre 2% et 5% du diamètre de la surface de glissement solidaire de la chambre,
    • le rapport entre, d'une part, la différence entre le périmètre de la portée de l'anneau à l'état libre et le périmètre de la surface de glissement, et, d'autre part, le périmètre de la surface de glissement est compris entre 1/1000 et 4/1000,
    • l'anneau est conçu pour calibrer un film d'huile de lubrification entre l'anneau et la surface de glissement à une épaisseur de lubrification limite, comprise de préférence entre 0.1 µm et 0.5 µm,
    • le dispositif comprend des moyens pour amener de l'huile de lubrification sur toute la périphérie d'un bord de la portée de l'anneau, situé du côté de l'enceinte basse pression,
    • la portée de l'anneau est cylindrique,
    • la dimension axiale de la portée de l'anneau est comprise entre 0,5 et 5 millimètres,
    • le rapport de la dimension axiale de la portée de l'anneau au diamètre de la surface de glissement est compris entre 1/100 et 3/100,
    • l'anneau comprend une surface de raclage de la couche d'huile recouvrant la partie de la surface de glissement située dans l'enceinte basse pression, cette surface rejoignant la portée de l'anneau en formant une arête vive côté basse pression limitant la portée du côté de l'enceinte basse pression, avec un angle côté basse pression compris entre 45 et 90° avec ledit axe, de façon à laisser un film d'huile de lubrification limite d'une épaisseur d'une fraction de micromètre sur la partie de la surface de glissement située dans l'enceinte haute pression,
    • la surface de glissement est polie pour faire disparaître tout relief supérieur à l'épaisseur du film d'huile de lubrification limite,
    • la portée de l'anneau est prolongée du coté de l'enceinte haute pression par un tronçon qui s'écarte progressivement de la surface de glissement jusqu'à une arête vive côté haute pression limitant le tronçon du côté de l'enceinte haute pression, formée avec une surface de l'anneau de raclage des particules, ladite arête vive étant éloignée d'une fraction de micromètre de la surface de glissement,
    • l'anneau comprend une face de forme générale plane perpendiculaire à l'axe de la surface de glissement, en contact avec la face de forme générale plane de la gorge située du coté de l'enceinte basse pression,
    • le dispositif comprend un joint torique en matériau élastomère en contact permanent avec le fond de la gorge, avec la face de l'anneau en vis-à-vis du fond de la gorge, et avec une face de forme générale plane de la gorge située du côté de l'enceinte basse pression,
    • il comprend un joint torique en matériau élastomère, solidaire de l'anneau, qui occupe la totalité de l'angle formé par la face de l'anneau en vis-à-vis avec le fond de la gorge et la face de forme générale plane de la gorge située du coté de l'enceinte basse pression,
    • il comprend un anneau auxiliaire élastique maintenu en contact étanche avec une face d'étanchéité plane de l'anneau d'étanchéité, perpendiculaire à l'axe de la surface de glissement, située du côté de l'enceinte haute pression, du fait de son serrage contre une surface d'étanchéité de la gorge sensiblement conique, ouverte vers l'enceinte haute pression,
    • l'anneau auxiliaire est en contact avec l'anneau d'étanchéité dans un plan perpendiculaire à l'axe de la surface de glissement, situé dans le plan ou du côté basse pression d'un bord de la portée de l'anneau d'étanchéité situé du côté de l'enceinte haute pression.
  • L'invention concerne également un ensemble pour moteur ou compresseur alternatif, comprenant au moins une chambre, un piston prévu pour se déplacer en mouvement alternatif de translation rectiligne parallèlement a une direction dans la chambre, et divisant la chambre en une enceinte haute pression et une enceinte basse pression, l'ensemble comportant un dispositif d'étanchéité tel que défini ci-dessus.
  • Dans un mode de réalisation, le piston délimite, dans l'enceinte haute pression, un espace annulaire situé radialement entre le piston et la surface de glissement, et axialement entre l'anneau d'étanchéité et l'extrémité axiale du piston, ledit espace possédant un volume suffisant pour qu'une masse de gaz contenue dans ledit espace à une pression minimale du cycle dans l'enceinte haute pression occupe un volume suffisant pour immerger totalement la partie de l'anneau d'étanchéité exposée à la haute pression lorsque la dite masse de gaz est comprimée à la pression maximale du cycle dans l'enceinte haute pression.
  • Dans un mode de réalisation, le piston comporte au moins un patin de guidage annulaire et fermé, délimitant axialement avec l'anneau d'étanchéité, et radialement avec la surface de glissement, un espace annulaire fermé communiquant avec des moyens d'alimentation en huile fraîche, et s'évacuant dans un circuit de refroidissement du piston débouchant dans l'enceinte basse pression.
  • Dans un mode de réalisation la surface de glissement est uniquement refroidie par une réserve d'huile fraîche portée par le piston dans l'espace formé entre le patin et l'anneau d'étanchéité.
  • L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'un piston d'un moteur à combustion interne possédant un dispositif d'étanchéité conforme à l'invention disposé entre le piston et une chambre dans laquelle le piston est mobile ;
    • la figure 2 est une vue agrandie de la zone II de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un anneau d'étanchéité du dispositif d'étanchéité de la figure 1 ;
    • la figure 4 est une vue agrandie de la zone IV de la figure 1 ;
    • la figure 5 est une vue de détail de celle de la figure 2 ; et
    • les figures 6 à 9 sont des vues analogues à celle de la figure 2, illustrant des dispositifs d'étanchéité conformes à l'invention selon des variantes.
  • Tel que représenté sur la figure 1, le piston 2 est monté mobile dans la chambre 4 du moteur à combustion interne, en translation rectiligne alternative (Flèche F) selon un axe A.
  • Le piston 2 sépare la chambre 4, de façon étanche, en, d'une part, une enceinte supérieure haute pression 6, prévue pour recevoir, de façon connue en soi, l'air et le carburant en vue de leur combustion, et, d'autre part, une enceinte inférieure basse pression 8, prévue pour être en communication avec un carter contenant une réserve d'huile de lubrification du moteur.
  • Un dispositif d'étanchéité 10 est disposé entre le piston 2 et une surface de glissement 12 délimitant en partie la chambre 4. La surface 12 est cylindrique circulaire d'axe A.
  • Le piston 2 comprend un corps 14 dans lequel est ménagé un bol de combustion 16 s'ouvrant vers l'enceinte 6, une jupe 18 s'étendant axialement à partir du corps 14 vers l'enceinte 8, et une chemise 20 tubulaire de guidage du piston 2 le long de la surface 12, solidarisée sur la surface extérieure de la jupe 18.
  • Tel que représenté sur la figure 2, le dispositif d'étanchéité 10 comprend un anneau d'étanchéité 22 métallique, distinct du piston 2 et de la chambre 4, et ajusté dans une gorge 24 solidaire du piston 2, ouverte vers la surface 12. L'anneau 22 se déplace avec le piston 2, et est en appui par une portée cylindrique 26 d'axe A contre la surface 12.
  • L'anneau 22 est reçu de façon étanche dans la gorge 24, et, lors du déplacement du piston 2 (Flèche F), la portée 26 est en contact étanche avec la surface 12 et glisse le long de celle-ci.
  • Tel que représenté sur la figure 3, l'anneau 22 est fermé, c'est-à-dire qu'il est continu sur sa circonférence, et qu'il n'est pas coupé ou fendu en un endroit de sa circonférence.
  • La section méridienne de l'anneau 22 est uniforme sur toute sa circonférence. Il est donc symétrique de révolution autour de l'axe A.
  • Sur la figure 2, la gorge 24 est formée entre deux bagues 28 et 30. La bague 28 est frettée sur la bague 30, elle-même frettée sur le piston 2.
  • La gorge 24 est délimitée axialement par deux faces de contact avec l'anneau 22 : une face côté haute pression 32, ménagée sur la bague 28, et une face côté basse pression 34, ménagée sur la bague 30. Chacune des faces 32 et 34 est de forme générale plane, et s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe A.
  • L'anneau 22 comprend une face côté haute pression 36 exposée à la pression de l'enceinte 6, et une face côté basse pression 38 exposée à la pression de l'enceinte 8. Chacune des faces 36 et 38 est de forme générale plane, et s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe A.
  • Les faces 36 et 38 sont en vis-à-vis respectivement des faces 32 et 34, en vue d'un contact avec ces faces 32 et 34.
  • La distance axiale H entre les faces 32 et 34 est sensiblement égale mais supérieure à la distance axiale entre les faces 36 et 38, de façon que la distance H est juste suffisante pour permettre le déplacement radiale de l'anneau 22 dans la gorge 24 en interdisant toute déformation axiale de l'anneau 22. En d'autres termes, l'anneau 22 est ajusté axialement dans la gorge 24.
  • La gorge 24 est suffisamment profonde radialement pour permettre le débattement radial de l'anneau 22 dans la gorge 24.
  • Un joint torique 40 en matériau élastomère est disposé entre le fond 42 de la gorge 24, s'étendant axialement entre les faces 32 et 34, et une face 44 de l'anneau 22 située en vis-à-vis. Le joint 40 est en appui sur la face 34.
  • Tel que représenté sur la figure 5, la portée 26 est prolongée, du côté de l'enceinte 6, par un tronçon tronconique 46 d'axe A s'éloignant progressivement de la surface 12, et rejoignant la face 36 en formant une arête vive 49 limitant le tronçon 46 du côté de l'enceinte 6. La distance radiale e entre l'arête 49 et la surface 12, autrement dit la distance radiale entre la portée 26 et l'arête 49, est de l'ordre d'une fraction de micromètre.
  • La portée 26 est limitée du côté de l'enceinte 8 par une arête vive côté basse pression 51, formée avec une surface de raclage 50 rejoignant la portée 26 en formant, avec l'axe A, un angle θ compris entre 45 et 90° (90° sur la figure 5).
  • La surface 50 est décalée axialement par rapport à la surface 38, et rejoint celle-ci par une surface cylindrique 52 d'axe A.
  • Pour assurer un appui équilibré de la portée 26 sur la surface 12, la portée 26 est sensiblement centrée sur le plan équatorial médian de l'anneau 22, situé à mi-distance entre les faces 36 et 38, et la dimension axiale de la surface 46 est égale à la distance axiale entre la surface 50 et la face 38.
  • L'anneau 22 est serré sur la surface 12. A cet effet, à l'état libre, le périmètre de la portée 26 est supérieur au périmètre de la surface 12. L'anneau 22 est donc déformé élastiquement en compression lorsqu'il est forcé dans la surface 12.
  • L'anneau 22 possède une section méridienne faible, de sorte que l'anneau 22 est très souple et se conforme facilement à la géométrie de la surface 12, y compris en cas de variations des dimensions de la surface 12 dues à des variations de température ou de pression à l'intérieur de la chambre 4.
  • L'anneau 22 étant fermé et de section uniforme, il maintient une pression spécifique de contact entre la portée 26 et la surface 12 sensiblement uniforme sur la circonférence de l'anneau 22.
  • L'anneau 22 est dimensionné pour travailler dans sa limite élastique, et dans ses limites de fatigue.
  • La hauteur axiale h de la portée 6 est comprise de préférence entre 0,5 et 5 mm. Ceci permet de limiter les frottements entre la portée 26 et la surface 12, qui sont proportionnels à cette hauteur h, et de limiter l'aire de la portée 26 de façon à conserver une pression spécifique de contact importante entre la portée 26 et la surface 12, malgré la souplesse de l'anneau 22.
  • Pour obtenir un anneau 22 souple qui ne flambe pas, de préférence l'épaisseur radiale E est comprise entre 1% et 5% du diamètre D de la surface 12, de préférence entre 2% et 5%, encore de préférence entre 2% et 3%.
  • Par ailleurs, de préférence, le rapport entre, d'une part, la différence entre le périmètre de la portée 26 de l'anneau 22 à l'état libre et le périmètre de la surface 12, et d'autre part, le périmètre de la surface 12, est compris entre 1/1000 et 4/1000, afin de rester dans la plage de déformation élastique, fonction de la valeur du module d'Young du matériau constituant l'anneau 22.
  • En outre, de préférence, le rapport de la hauteur h au diamètre de la surface 12 est compris entre 2/1000 et 3/100, notamment entre 1/100 et 3/100.
  • Dans un exemple de réalisation, le diamètre D est sensiblement égal à 75 mm, l'épaisseur E est égale à 1,5 mm et la hauteur H est sensiblement égal à 1 mm.
  • L'ajustement axial de l'anneau 22 dans la gorge 24 évite toute déformation axiale de l'anneau 22 pouvant entraîner des fuites entre l'anneau 22 et la gorge 24, et une pression non uniforme de la portée 26 sur la surface 12.
  • En revenant à la figure 1, la chemise 20 comprend un tronçon central 54 solidaire de la jupe 18, prolongé à chacune de ses extrémités axiale par un patin d'appui 56, de diamètre supérieur à celui du tronçon 54 et espacé de la jupe 18, et relié au tronçon 54 par une portion de liaison tronconique 58 élastique.
  • Chaque patin 56 est fermé, c'est-à-dire continu circonférentiellement, pour un guidage amélioré.
  • Le piston 2 délimite avec la surface 12, un espace annulaire 60 fermé axialement par le patin 56 inférieur, situé du côté de l'enceinte 8, et l'anneau 22.
  • Les patins 56 ont une fonction de guidage radial du piston 2 le long de la surface 12, et non une fonction d'étanchéité. Néanmoins, les patins 56 sont guidés par la surface 12 avec un jeu radial aussi réduit que possible, permettant d'assurer une portance sur un film d'huile hydrodynamique.
  • Chaque patin 56 est conçu pour la formation d'un film d'huile hydrodynamique entre le patin 56 et la surface 12. A cet effet, tel que représenté sur la figure 4, chaque patin 56 possède un profil comprenant un tronçon central cylindrique 56a, et, à chaque extrémité du tronçon 56a, un tronçon tronconique 56b s'écartant de la surface 12 avec un angle de 2° environ, pour définir avec celle un cône d'entrée d'huile entre le tronçon 56a et la surface 12.
  • Le patin 56 supérieur, situé du côté de l'enceinte 6, divise l'espace 60 en un sous-espace 61 inférieur délimité avec le patin 56 inférieure, et un sous-espace supérieur 62, délimité avec l'anneau 22, communiquant avec le sous-espace 61 par l'intermédiaire d'orifices 63 ménagés dans la portion 58 supérieure.
  • Une buse 64 d'alimentation en huile fraîche, alimentée de façon connue à partir du carter du moteur, est dirigée de façon à propulser, en permanence, un jet d'huile fraîche à l'intérieur d'un canal 66 ménagé dans la jupe 18, et possédant une entrée en regard de la buse 64, et une sortie débouchant dans le sous-espace 61.
  • Le piston 2 comprend une galerie 68 de refroidissement du corps 14, s'alimentant dans l'espace 62, et débouchant par un canal d'évacuation 70 dans l'enceinte 8.
  • En fonctionnement, l'huile fraîche projetée par la buse 64 arrive dans l'espace 60, où se forme une réserve d'huile, qui refroidit la surface 12, alimente le film de lubrification limite entre l'anneau 22 et la surface 12, et le film d'huile de lubrification hydrodynamique entre la surface 12 et chacun des patins 56.
  • Le film hydrodynamique remplit le jeu radial entre les patins 56 et la surface de glissement, jeu voisin de 2/10 000 du diamètre D de la surface 12.
  • L'huile débouche dans le sous-espace 61, et s'écoule dans le sous-espace 62 par les orifices 63, de façon à alimenter le film d'huile de lubrification limite entre l'anneau 22 et la surface 12. Le sous-espace 62 permet d'alimenter l'huile sur toute la circonférence du bord basse pression de la portée 26, constitué par l'arête 51.
  • L'alimentation de l'anneau 22 en huile est sensiblement permanente et continue, étant donné que le sous-espace 61, alimenté par intermittence du fait du déplacement du piston 2 par rapport à la buse 64, forme une réserve tampon alimentant le sous-espace 62 par effet shaker.
  • L'huile s'écoule de l'espace 62 dans la galerie 68, de façon à refroidir le corps 14, et retourne ensuite vers l'enceinte 8 par le canal 70.
  • La réserve d'huile dans l'espace 60 se déplace avec le piston 2, et refroidit la surface 12. Avantageusement, la surface 12 est refroidie uniquement par cette huile, sans refroidissement extérieur par eau, ce qui simplifie le moteur et réduit son coût de fabrication.
  • En se référant à la figure 5, lors du déplacement de l'anneau 22 de l'enceinte 6 vers l'enceinte 8, la surface 50 racle la couche d'huile située dans l'espace 62, sur la surface 12, de façon à calibrer l'épaisseur du film de lubrification limite déposé sur la partie de la surface 12 située dans l'enceinte 6.
  • Le film de lubrification limite couvre à chaque instant la partie de la surface 12 située dans l'enceinte 6 entre la position actuelle de l'arrête 51 et la position de cette dernière au point mort haut du piston.
  • Le film de lubrification limite présente une épaisseur d'une fraction de micromètre, c'est-à-dire inférieure à 1 µm, comprise de préférence entre 0,1 µm ou 0,2 µm et 1 µm, et encore de préférence entre 0,1 µm et 0,5 µm.
  • Une telle épaisseur de film d'huile est inférieure à l'épaisseur d'un film hydrodynamique généralement comprise entre 5 et 10 micromètres.
  • Dans la lubrification hydrodynamique, le film comprend plusieurs couches de molécules qui glissent les unes sur les autres, alors que dans la lubrification limite, le film comprend sensiblement une seule couche de molécules, retenues sur la surface de glissement par les forces physico-chimiques, et permettant un contact glissant entre les surface entre lesquelles le film de lubrification limite est formé.
  • Le film de lubrification limite est suffisant pour assurer le glissement de la portée 26 sur la surface 12 avec des frottements limités, tout en assurant une étanchéité efficace, interdisant le passage de gaz entre la portée 26 et la surface 12.
  • L'arête 51 associée à la forte pression d'appui évite l'apparition d'un film hydrodynamique entre la portée 26 et la surface 12.
  • L'épaisseur du film de lubrification limite dépend de la pression spécifique de contact entre la portée 26 et la surface 12. De préférence, cette pression est comprise entre 20 et 100 bars pour calibrer le film de lubrification limite.
  • La pression de contact est la somme d'une pression « élastique » résultant du serrage de l'anneau 22 sur la surface 12, et d'une pression due au gaz de l'enceinte 6. En effet, en se référant à la figure 2, le montage de l'anneau 22 est du type autoclave car les gaz peuvent pénétrer dans la gorge 24. Ainsi, l'anneau 22 est plaqué axialement par les gaz de l'enceinte 6 en appui étanche contre la face 34, et radialement, par les gaz de l'enceinte 6 présents dans la gorge 24, contre la surface 12.
  • Le débattement radial entre l'anneau 22 et la gorge 24 permet d'absorber des dilatations différentielles entre le piston 2 et la surface 12, ou des déplacements radiaux du piston 2 par rapport à la surface 12, par exemple lors du basculement du piston 2 au point mort haut ou au point mort bas.
  • Lorsque l'anneau 22 se déplace de l'enceinte 8 vers l'enceinte 6, la distance e est suffisamment faible pour empêcher le passage de particules abrasives entre la surface 12 et la portée 26. De telles particules sont repoussées par la surface 36 formant alors surface de raclage.
  • L'étanchéité améliorée fournie par l'anneau 22 permet de ne disposer, entre le piston 2 et la surface 12, qu'un seul anneau qui assure l'étanchéité et le raclage de l'huile, ce qui est avantageux, en particulier dans les moteurs à combustion interne, dont les dispositifs d'étanchéité comprennent généralement trois segments.
  • Dans la variante de la figure 6, le dispositif 10 diffère de la variante précédente par la forme du joint 40, qui présente une section triangulaire, et est disposé dans l'angle entre la face 44 et la face 34. Du fait du montage autoclave de l'anneau 22, le joint 40 est plaqué par les gaz de l'enceinte 6 contre les faces 44 et 34, ce qui assure une bonne étanchéité.
  • De façon avantageuse, le joint 40 est collé sur la face 44 de l'anneau 22, de façon à être solidaire de celui-ci.
  • Le joint 40 se termine à distance radialement du fond 42 de la gorge 24 pour ne pas entraver le débattement radial de l'anneau 22 dans la gorge 24.
  • Pour limiter le volume libre de la gorge 24, le fond 42 est incliné sensiblement parallèlement à une face arrière 44a du joint 44.
  • Dans la variante de la figure 7, le dispositif 10 diffère des variantes précédentes en ce que l'anneau 22 est monté de façon non autoclave et que l'étanchéité entre l'anneau 22 et la gorge 24 est assurée par des contacts métallique sans faire appel à des matériaux élastomères.
  • Le dispositif 10 comprend un anneau auxiliaire d'étanchéité 72 métallique disposé axialement entre la face 36 et une surface tronconique 74 d'axe A de la bague 28, s'évasant vers l'enceinte 6.
  • L'anneau 72 est pressé contre la face 36 de l'anneau 22 par son serrage élastique contre la surface 74 conique. Il en résulte que l'anneau 72 est maintenu en tension, et s'appuie en contact étanche contre la surface 74 et contre la face 36, ce qui constitue une étanchéité statique autoclave vers la gorge 24, qui peut être alimentée en huile à la pression de l'enceinte 8.
  • Dans ce cas, la pression spécifique de contact entre la portée 26 et la surface 12 dépend seulement de la pression élastique.
  • L'anneau 72 est en contact avec l'anneau 22 dans un plan perpendiculaire à l'axe A, situé dans le plan ou du côté basse pression d'un bord de la portée 26 situé du côté de l'enceinte haute pression 6, afin d'éviter un fonctionnement anti autoclave de l'anneau 22.
  • Dans toutes les variantes, de préférence, un volume d'un espace 76 annulaire, délimité entre le piston 2 et la surface 12, et axialement entre l'anneau 22 et l'extrémité axiale 75 du piston 2 située du côté de l'enceinte 6, est suffisamment important pour que la masse de gaz remplissant cet espace 76 à la pression minimale atteinte dans l'enceinte 6 pendant le cycle, possède un volume suffisamment grand pour immerger l'anneau 22 du côté exposé à l'enceinte 6 lorsque cette masse de gaz est comprimée à la pression maximale atteinte dans l'enceinte 6 pendant le cycle.
  • Ainsi, du fait du bon niveau d'étanchéité du dispositif, cette masse de gaz se trouve emprisonnée, lors du cycle du piston 2, dans cet espace 76, et n'est pas renouvelée. Il en résulte que cette masse de gaz, alternativement comprimée et détendue au contact de la surface 12 avec laquelle elle échange de la chaleur grâce à la vitesse élevée du piston 2, atteint, au bout d'un certain temps, une température moyenne voisine de celle de la surface 12 beaucoup plus basse que la température moyenne des gaz présents dans l'enceinte 6.
  • Cette masse gazeuse relativement froide alimente à chaque course du piston 2 vers l'enceinte 8 la couche limite gazeuse qui recouvre le film d'huile déposé sur la surface 12 en limitant le flux de chaleur vers la surface 12.
  • Dans les variantes illustrées sur les figures 1 à 7, la surface 12 est solidaire de la chambre 4, et la gorge 24 est solidaire du piston 22.
  • Dans une variante illustrée sur la figure 8, la surface 12 est prévue sur le piston 2, et l'anneau 22 est reçu dans une gorge 24 ménagée dans une paroi 80 de la chambre 4, de façon que l'anneau 22 est reçu de façon étanche contre la paroi 80, et assure l'étanchéité avec le piston 2 en déplacement.
  • Dans ce cas, l'anneau 22 est serré sur la surface de glissement, et déformé élastiquement en tension. L'anneau 22 ne risque pas de flamber.
  • Dans toutes les variantes, la force d'application radiale de l'anneau contre la surface de glissement 12 est proportionnelle à l'aire de la portée 26 d'étanchéité et à la pression de contact entre la surface 12 et la portée 26.
  • Dans un montage autoclave (figure 1 à 6), la pression de contact est la somme de la pression élastique résultant du serrage de l'anneau 22 sur la surface 12 et et de la pression des gaz dans l'enceinte 6 (et éventuellement la pression due à la déformation radiale d'un joint torique interposé entre l'anneau et le fond de la gorge).
  • Dans un moteur alternatif à combustion interne ou un compresseur alternatif, l'enceinte 6 est remplie de gaz à une pression variable, entre une pression maximale Pmax correspondant au point mort haut du piston 2 et une pression minimale Pmin correspondant au point mort bas du piston 2.
  • Au point mort bas, la pression de contact est sensiblement égale à la pression élastique et doit être suffisante pour calibrer le film d'huile. La pression élastique est comprise de préférence entre 20 et 100 bars.
  • Au point mort haut, la pression de contact ne doit pas être excessive. Dans un moteur Diesel, avec une pression élastique entre 20 et 100 bars, la pression de contact au moint mort haut sera typiquement de l'ordre de 200 à 280 bars.
  • En outre, du fait que la pression de contact varie entre le point mort haut et le point mort bas, l'épaisseur du film de lubrification limite varie le long de la surface de glissement. L'épaisseur du film de lubrification limite augmente de l'enceinte 6 vers l'enceinte 8.
  • Dans un montage non autoclave (figure 7), la pression de contact est sensiblement constante et égale à la pression élastique, puisqu'elle ne dépend pas de la pression des gaz dans l'enceinte 6.
  • Ainsi, un montage non autoclave favorise la réduction des pertes par frottement et l'uniformité de l'épaisseur du film de lubrification limite.
  • La figure 9 illustre un autre mode de réalisation d'un montage non autoclave de l'anneau 22.
  • Le mode de réalisation de la figure 9, où les références aux éléments semblables à ceux des figures 1 à 7 ont été conservées, diffère de celui de la figure 2 en ce qu'il comprend des moyens élastiques 82 formant ressort axial, disposés entre une surface radiale d'appui 84 du piston 2 et la face 38 de l'anneau 22 de façon à solliciter l'anneau 22 axialement en appui par sa face 36 contre la face 32.
  • Comme précédemment, l'anneau 22 est toujours adapté pour calibrer un film de lubrification limite entre sa portée 26 et la surface de glissement 12. Ainsi, l'épaisseur radiale de l'anneau 22 est choisie en fonction du matériau constituant l'anneau 22, de façon à obtenir une pression élastique suffisante, de préférence entre 20 et 100 bars.
  • Dans ce montage, un contact intime s'établiera entre les faces 32 et 36 pour assurer l'étanchéité au gaz entre ces faces 32 et 36.
  • Les moyens élastiques sont prévus par exemple sous la forme d'un anneau 86 élastique axialement, possédant une section en C ouverte radialement vers l'intérieur, possédant une branche en appui sur la surface 84 et une branche en appui sur l'anneau 22.
  • La surface 84 est par exemple une surface radiale d'un dégagement annulaire périphérique 88 ménagé dans la face 34 de la gorge 24.
  • Afin de bien appliquer sur la face 32 l'anneau 22 en état de forte contrainte, et tel qu'illustré sur la figure 9, le dispositif d'étanchéité 10 possède une cale 90 annulaire interposée entre les moyens élastiques 82 et l'anneau 22. La gorge 24 possède une dimension axiale H entre ses face 32 et 34 supérieure à la dimension axiale hors tout de l'anneau 22, et la cale 90 est disposée entre la face 34 et l'anneau 22, de telle manière que l'ensemble cale 90 et anneau 22 est sensiblement ajusté dans la gorge 24.
  • La cale 90 est par exemple de section rectangulaire ou carrée.
  • La cale 90 permet de répartir les efforts des moyens élastiques 82 de façon plus homogène sur l'anneau 22 pour assurer un bon contact plan de l'anneau 22 sur la face 32, garant d'une meilleure étanchéité.
  • De préférence, la force axiale des moyens élastiques 82 est suffisante pour maintenir l'anneau 22 en appui contre la face 32 sur toute la plage de pression de l'enceinte 6, tout en permettant le débattement radial de l'anneau 22.
  • Pour limiter l'effort exercé par les gaz de l'enceinte 6 sur l'anneau 22, il est souhaitable de limiter le jeu radial entre la surface 12 et la bague 28 à proximité de l'anneau 22. Ce jeu est par exemple de l'ordre de quelques centièmes de millimètre.
  • Pour limiter au minimum le déplacement axial de l'anneau 22 au cas où l'effort exercé par les gaz dans l'enceinte 6 est supérieure à la précontrainte axiale exercée par les moyens élastiques 82 sur l'anneau 22, le jeu entre les faces 32 et 34 de la gorge et entre l'ensemble anneau 22 et cale 90 est de l'ordre de 0,01 mm.
  • Si l'effort exercé par les gaz dans l'enceinte 6 est supérieur à la précontrainte axiale exercée par les moyens élastiques 82 sur l'anneau 22, les gaz s'introduisent derrière l'anneau 22 qui passe en étanchéité autoclave.
  • Le mode de réalisation de la figure 9 présente donc les avantages de la solution non autoclave avec la sécurité de la solution autoclave en cas de surpression dans l'enceinte 6 surpassant les moyens élastiques 82.
  • Avantageusement, pour évacuer de l'huile accumulée sur la face 36 de l'anneau 22 pendant des fortes charges du moteur, les moyens élastiques 82 sont tarés pour que l'anneau 22 s'écarte de la face 36 quand la pression des gaz dans l'enceinte approche sa valeur maximale Pmax. Ainsi, l'étanchéité non autoclave passe momentanément en mode autoclave, et l'huile accumulée au-dessus de l'anneau 22 est chassée derrière ce dernier.
  • Il faut néanmoins noter à cet égard que l'épaisseur identique du film sur toute la course de l'anneau 22 en mode non autoclave évite une épaisseur plus importante du film de lubrification du côté de l'enceinte 8, et limite la quantité d'huile remontée depuis le bas de la surface 12 par rapport au mode autoclave.
  • En tout état de cause, il est préférable d'augmenter la pression élastique pour éviter les remontées d'huile au prix d'une augmentation des frottements. Le polissage de la surface 12 et de la portée 26 permet de réduire les frottements.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'anneau 22 est muni d'un chanfrein 46 pour éviter de râcler le film d'huile lors du déplacement de l'anneau 22 en direction de l'enceinte 6.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 9, il est impossible de ménager un chanfrein sans devenir anti autoclave, de sorte que la limite supérieure de la portée 26 se situe dans le plan de la face 32. Ceci évite que la pression des gaz réduise la pression de contact sur la portée 26.
  • La jupe 18 du piston 2 est de préférence guidée par un patin 56, situé du côté de l'enceinte 8 par rapport à l'anneau 22, présentant un jeu j avec la surface 12 inférieur au porte-à-faux f de l'anneau 22 par rapport à la face 32, et le patin 56 est conçu pour calibrer entre le patin 56 et la surface 12 un film hydrodynamique alimenté en huile par des orifices 98.
  • Ce jeu j très faible impose un découplage mécanique et thermique du patin 56 et de la partie massive du piston 2 qui définit la chambre de combustion. Pour ce faire, le piston 2 comprend par exemple, tel qu'illustré sur la figure 9, une cavité annulaire 99 délimitée radialement entre le patin 56 et la partie massive du piston 2, la cavité 99 étant alimentée en huile à partir du carter du moteur par des orifices 100.
  • La cavité 100 communique par les orifices 98 ménagés dans la bague 30 avec l'espace 102 compris entre le patin 56 et l'anneau 22 pour alimenter le film d'huile.
  • En fonctionnement tous les espaces vides entre l'anneau 22 et le patin 56 sont alimentés en huile de manière permanente.
  • Dans tous les modes de réalisation, pour limiter les pertes par frottement, il est préférable de limiter la hauteur h de la portée 26. Par ailleurs, la hauteur h doit être suffisante pour assurer l'étanchéité, et garantissant que la pression des gaz dans l'enceinte 6, pendant le temps où elle est appliquée, ne permet pas de chasser le film de lubrification entre la portée 26 et la surface 12. Ceci dépend de l'épaisseur du film et de la rugosité des surfaces en contact (portée 26 et surface 12). Si on considère qu'une hauteur h de 1000 fois l'épaisseur du film est suffisante, une hauteur h comprise entre 0,2 et 1 millimètre convient pour un film compris entre 0,2 et 1 µm.
  • Dans un exemple de réalisation, la hauteur h est égale à 0,5 mm, le diamètre D de la surface 12 est égal à 80 mm, et une pression élastique de 80 bars est suffisante à assurer l'étanchéité. Dans ce cas, une épaisseur radiale de l'anneau 22 en acier est sensiblement égale à 1,5 mm pour obtenir la pression élastique requise. La section de l'anneau 22 est donc un rectangle de hauteur 0,5 mm et de largeur 1,5 mm.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 9, la cale 90 possède par exemple une section carrée de 1,4 mm de côté.
  • De manière générale, l'invention concerne un dispositif d'étanchéité pour un piston prévu pour se déplacer en mouvement alternatif de translation rectiligne parallèlement à une direction dans une chambre divisée par le piston en une enceinte haute pression et une enceinte basse pression, du type comprenant :
    • une surface de glissement cylindrique circulaire d'axe parallèle à la direction de translation du piston ;
    • une gorge torique coaxiale à la surface de glissement, ouverte vers la surface de glissement ;
    • l'un de la surface de glissement et de la gorge étant solidaire du piston, et l'autre de la chambre ;
    • un anneau d'étanchéité élastique, fermé, reçu de façon étanche dans la gorge, et en contact d'étanchéité avec la surface de glissement, par une portée d'étanchéité, l'anneau étant serré élastiquement sur la surface de glissement ;
    dans lequel l'anneau est adapté pour maintenir sur la surface de glissement, un film de lubrifiant présentant une épaisseur de lubrification limite, inférieure à un micromètre.

Claims (27)

  1. Dispositif d'étanchéité pour un piston (2) pour moteur alternatif à combustion interne ou compresseur alternatif, prévu pour se déplacer en mouvement alternatif de translation rectiligne parallèlement à l'axe (A) d'une surface de glissement (12) cylindrique circulaire d'une chambre (4) divisée par le piston (2) en une enceinte haute pression (6) et une enceinte basse pression (8), du type comprenant :
    - une surface de glissement (12) délimitant en partie la chambre (4) ;
    - une gorge (24) torique ménagée sur le piston (2), destinée à être coaxiale à la surface de glissement (12) et ouverte vers la surface de glissement (12); et
    - un anneau d'étanchéité (22) élastique, fermé, reçu de façon étanche dans la gorge (24), et destiné à être en contact d'étanchéité avec la surface de glissement (12), par une portée d'étanchéité (26) dont le périmètre à l'état libre est légèrement supérieur au périmètre de la surface de glissement (12), de sorte que la surface de glissement (12) impose à l'anneau (22) une déformation élastique permanente de compression qui provoque une pression d'appui sensiblement uniforme entre la portée (26) et la surface de glissement (12) quand l'anneau (22) est serré élastiquement sur cette dernière,
    caractérisé en ce que l'anneau (22) est conçu pour calibrer un film d'huile de lubrification entre l'anneau (22) et la surface de glissement (12) à une épaisseur de lubrification limite lorsqu'il se déplace de l'enceinte haute pression (6) vers l'enceinte basse pression (8), comprise de préférence entre 0.1 µm et 1 µm.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour amener de l'huile de lubrification sur toute la périphérie d'un bord (51) de la portée de l'anneau (22), situé du côté de l'enceinte basse pression (8).
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'anneau (22) est ajusté dans la gorge (24) de façon à interdire une déformation axiale de l'anneau (22), et à laisser libre un déplacement radial de l'anneau (22) dans la gorge (24).
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la gorge (24) est délimitée axialement par deux surfaces (32, 34) de contact avec l'anneau (22), de forme générale plane, perpendiculaires à l'axe (A) de la surface de glissement (12), la distance axiale entre les deux surfaces de contact (32, 34) étant juste suffisante pour interdire une déformation axiale de l'anneau (22), et laisser libre un déplacement radial de l'anneau (22) dans la gorge (24).
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur radiale (E) de l'anneau (22) est comprise entre 1% et 5% du diamètre (D) de la surface de glissement (12), de préférence entre 2% et 5%, et encore de préférence entre 2% et 3%.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport entre, d'une part, la différence entre le périmètre de la portée (26) de l'anneau (22) à l'état libre et le périmètre de la surface de glissement (12), et, d'autre part, le périmètre de la surface de glissement (12) est compris entre 1/1000 et 4/1000 dudit périmètre.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portée (26) de l'anneau (22) est cylindrique.
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la dimension axiale (h) de la portée (26) de l'anneau (22) est comprise entre 0,2 et 5 mm, notamment entre 0,5 et 5 mm.
  9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la dimension axiale (h) de la portée (26) de l'anneau (22) est comprise entre 0,2 et 0,5 mm.
  10. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le rapport de la dimension axiale (h) de la portée (26) de l'anneau (22) au diamètre (D) de la surface de glissement (12) est compris entre 1/100 et 3/100.
  11. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le rapport de la dimension axiale (h) de la portée (26) de l'anneau (22) au diamètre (D) de la surface de glissement (12) est compris entre 2/1000 et 1/100.
  12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau (22) comprend une surface (50) de raclage de la couche d'huile recouvrant la partie de la surface de glissement (12) située dans l'enceinte basse pression (8), cette surface (50) rejoignant la portée (26) de l'anneau (22) en formant une arête vive (51) côté basse pression limitant la portée (26) du côté de l'enceinte basse pression (8).
  13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la surface (50) de raclage rejoint la portée (26) avec un angle côté basse pression compris entre 45 et 90° avec ledit axe (A), de façon à laisser un film d'huile de lubrification limite d'une épaisseur d'une fraction de micromètre sur la partie de la surface de glissement (12) située dans l'enceinte haute pression (6).
  14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portée (26) de l'anneau (22) est prolongée du coté de l'enceinte haute pression (6) par un tronçon (46) s'écartant progressivement de la surface de glissement (12) jusqu'à une arête vive côté haute pression (49) limitant le tronçon (46) du côté de l'enceinte haute pression, formée avec une surface (36) de l'anneau (22) de raclage des particules, ladite arête vive (49) étant éloignée d'une fraction de micromètre de la surface de glissement (12).
  15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de glissement (12) est polie pour faire disparaître tout relief supérieur à l'épaisseur du film d'huile de lubrification limite.
  16. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau (22) comprend une face de forme générale plane perpendiculaire à l'axe (A) de la surface de glissement (12), en contact avec la face (34) de forme générale plane de la gorge (24) située du coté de l'enceinte basse pression (8).
  17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend un joint torique (40) en matériau élastomère en contact permanent avec le fond (42) de la gorge (24), avec la face (44) de l'anneau (22) en vis-à-vis du fond (42) de la gorge (24), et avec une face (34) de forme générale plane de la gorge (34) située du côté de l'enceinte basse pression (8).
  18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend un joint torique (40) en matériau élastomère, solidaire de l'anneau (22), qui occupe la totalité de l'angle formé par la face (44) de l'anneau (22) en vis-à-vis avec le fond (42) de la gorge (24) et la face (34) de forme générale plane de la gorge (34) située du coté de l'enceinte basse pression (8).
  19. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend un anneau auxiliaire élastique (72) maintenu en contact étanche avec une face d'étanchéité plane (36) de l'anneau d'étanchéité (22), perpendiculaire à l'axe (A) de la surface de glissement (12), située du côté de l'enceinte haute pression (6), du fait de son serrage contre une surface d'étanchéité (74) de la gorge (24) sensiblement conique, ouverte vers l'enceinte haute pression (6).
  20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'anneau auxiliaire (72) est en contact avec l'anneau d'étanchéité (22) dans un plan destiné à être perpendiculaire à l'axe (A) de la surface de glissement (12), situé dans le plan ou du côté basse pression d'un bord de la portée (26) de l'anneau d'étanchéité (22) situé du côté de l'enceinte haute pression (6).
  21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gorge (24) est délimitée par une face côté haute pression (32) plane perpendiculaire à l'axe A, et en ce qu'il comprend des moyens élastiques (82) pour appliquer la face côté haute pression (36) de l'anneau (22) axialement contre la face côté haute pression (32) de la gorge (24).
  22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comprend une cale (90) annulaire disposée entre les moyens élastiques (82) et l'anneau (22).
  23. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'ensemble formé par l'anneau (22) et la cale (90) est ajusté axialement dans la gorge (24).
  24. Ensemble pour moteur alternatif à combustion interne ou compresseur alternatif, comprenant au moins une chambre (4) possédant une surface de glissement (12) cylindrique circulaire, un piston prévu pour se déplacer en mouvement alternatif de translation rectiligne parallèlement à l'axe (A) de la surface de glissement (12) en divisant la chambre (4) en une enceinte haute pression (6) et une enceinte basse pression (8), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'étanchéité entre le piston (2) et la surface de glissement (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  25. Ensemble selon la revendication 24, caractérisé en ce que le piston (2) délimite, dans l'enceinte haute pression (6), un espace annulaire situé radialement entre le piston (2) et la surface de glissement (12), et axialement entre l'anneau d'étanchéité (22) et l'extrémité axiale (75) du piston (22), ledit espace (76) possédant un volume suffisant pour qu'une masse de gaz contenue dans ledit espace (76) à une pression minimale du cycle dans l'enceinte haute pression (6) occupe un volume suffisant pour immerger totalement la partie de l'anneau d'étanchéité (22) exposée à la haute pression lorsque la dite masse de gaz est comprimée à la pression maximale du cycle dans l'enceinte haute pression (6).
  26. Ensemble selon la revendication 24 ou 25, caractérisé en ce que le piston (2) comporte au moins un patin (56) de guidage annulaire et fermé, délimitant axialement avec l'anneau d'étanchéité (22), et radialement avec la surface de glissement (12), un espace annulaire (60, 62) fermé communiquant avec des moyens d'alimentation (64, 66) en huile fraîche, et s'évacuant dans un circuit de refroidissement (68, 70) du piston (2) débouchant dans l'enceinte basse pression (8).
  27. Ensemble selon la revendication 26, caractérisé en ce que la surface de glissement (12) est uniquement refroidie par une réserve d'huile fraîche portée par le piston (2) dans l'espace (60, 62) formé entre le patin (56) et l'anneau d'étanchéité (22).
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